撰文   杨波

国内包括黄骅港在内的煤炭码头的堆料机操作一般都是采用人工操作的方式实现的，无法实行自动作业的原因主要是煤堆的轮廓识别和料位高度检测很难解决。堆料机具体工作流程如下：司机根据中控指令，将堆料机开至指定位置；司机将堆料机大臂回转至堆场中间位置；根据场垛高低将堆料机大臂俯仰至合适位置；启动悬臂皮带机开始堆料作业；司机观察料堆与大臂的距离小于1.5m时；将大臂继续抬高；当大臂高度大于18m时，堆料机向堆场空侧行走3至4m，继续作业直至作业完毕。

在上述的作业过程中，从开始作业到作业完毕，全部是通过堆料机司机在中控人员和翻车机人员的指令调度下手动完成的。虽然上述过程中的大部分动作都可以通过plc控制实现自动化，但其中的红色部分（观察料堆与大臂间的距离）却很难实现自动化，这项步骤对堆料机司机有很大的依赖性，也是造成煤炭港口的堆料作业一直为人工手动操作的最大原因。为了解决这个问题，目前各大港口曾经采用的检测技术有：悬挂式倾斜开关检测，超声波检测，红外线检测，单点式激光测距开关检测，微波雷达检测等，这些技术手段都存在很多缺点从而无法与plc配合实现真正意义上的无人堆料控制。

神华黄骅港务公司共有堆料机六台，正常的操作需要32名堆料机司机，工作环境恶劣，人工成本和管理成本较高，每年的人工及各种管理成本约为32*10=320万元。为达到减员增效，实现科技创新，公司设计了一套基于激光扫描的无人堆料控制系统，具体介绍如下。

一、具体设计、实施方案

目前各大港口曾经采用的检测技术手段的缺点如下：

悬挂式倾斜开关、超声波检测、红外线检测、单点式激光测距开关、微波雷达检测等检测手段只能实现单点的距离测量；对煤堆的波峰没有判断能力，随大臂的升降需要实时调节检测位置；遇到取料后的残垛几乎没有检测能力；对料流没有识别能力，容易造成误信号；与plc无法实现双向通讯，无法实现对plc的精确控制。效率比较低下，无法实现精确检测。

为解决这些难题，公司所设计的激光扫描控制系统描述如下：

1.   系统的组成

本系统由激光扫描仪、数据采集计算机、料堆检测控制软件、opc服务器、工业plc组成。首先激光扫描仪对煤堆进行270度无死区扫描，第二步由料堆检测控制软件通过计算机的以太网接口与扫描仪进行通讯采集数据，第三步由料堆检测控制对扫描的数据进行解码、滤波、丢失补偿、空间坐标建模、画图等一系列处理，第四步由料堆检测控制软件通与rsview opc服务器通讯实现数据交换，第五步由rsview opc服务器通过计算机的DH+网络接口与plc进行数据交换实现对堆料机进行俯仰、行走的控制，最终可以实现无人干预的全自动堆料作业。系统结构图如下：

图1 激光扫描系统原理图

2.   硬件的安装

（1）  激光扫描仪安装

激光扫描仪的安装位置非常重要，必须可以保证堆料机大臂在任何俯仰角度都可以扫描到煤堆的波峰，从而可以检测大臂与煤堆之间的实时距离，精确的控制堆料作业。根据现场的工况分析，将扫描仪在堆料机大臂抛料滚筒的前上方安装，并且扫描方向垂直于抛料滚筒的轴线的位置，这样可以在堆料机作业时扫描悬臂皮带抛出的煤流和煤堆的波峰位置。安装示意图如下：

图2 激光扫描仪安装图

（2）数据采集计算机安装

由于现场工况比较恶劣，存在煤尘、震动等不利因素，所以需要配置专门的工业计算机，要求抗震、防尘、散热良好。具体安装位置可以放在司机室。

3.   软件的设计

（1）  后台编程单元

①  扫描数据采集模块

将激光扫描仪的数据实时的读取。采用winsock技术进行TCP/IP编程，采用多线程技术可以实现后台运行。

②  plc数据读取模块

将堆料机的行走位置、回转角度、俯仰角度、溜筒高度、悬皮状态等数据进行实时读取。采用OPC规范的C++定制接口编程实现对plc数据的读取，采用多线程技术可以实现后台运行。

③  扫描数据解码模块

将激光扫描仪的数据进行解码，提取空间坐标数据。采用ASCII码转换机制编程，采用多线程技术可以实现后台运行。

④  扫描数据滤波模块

将煤堆周围空间内的雪花、雨雾、煤尘干扰去除。采用中值滤波算法编程，采用多线程技术可以实现后台运行。

⑤  丢失数据智能处理模块

将少量丢失的扫描数据进行补齐。采用直线方程与2维坐标转换算法编程，采用多线程技术可以实现后台运行。

⑥  空间坐标建模模块

将扫描数据转换为空间坐标。极坐标转换算法编程，采用多线程技术可以实现后台运行。

⑦  悬臂料流识别模块

自动识别皮带机抛出的煤流。空间坐标二次求导及拐点计算编程，采用多线程技术可以实现后台运行。

⑧  料堆波峰识别模块

自动识别煤堆波峰。空间坐标求导及最大值计算，采用多线程技术可以实现后台运行。

⑨  Plc数据发送模块

将煤堆的波峰数据、堆料机行走指令、堆料机抬臂指令发送给plc并进行控制。采用OPC规范的C++定制接口编程实现对plc数据的读取，采用多线程技术可以实现后台运行。

（2）  前台编程界面

①  画图模块

将实时扫描的煤堆二维曲线输出到计算机屏幕上。采用mfc画图函数编程，画出坐标与曲线。

②  数据显示模块

将堆料机的数据和波峰的数据输出到计算机屏幕上。采用mfc控件编程。

      激光扫描软件的效果图如下：

图3 激光扫描控制软件

二、项目实施的效果

通过上述的硬件安装和软件编程，完全解决了其他检测手段的弊端，真正实现了无人全自动堆料作业，具体优点如下：对传输介质没有特别要求，可以忽略大风、大雾及常见雨雪天气的影响。对光照度没有要求，可实现白天和夜晚作业。可实现对料堆的270度二维扫描，无死区。实时性非常高，可以实时反映料堆情况。可识别料堆的波峰波谷，判断料堆的最高点。安装数量可以只需一个。可识别堆料过程中的料流，从而去除料流的干扰。对因环境因数丢失的个别点的坐标可以实现平滑过渡。对大暴雨造成的个别点的误信号可以实现中值滤波去除。可以根据料堆的情况实时控制plc进行堆料动作从而实现无人堆料。

本系统通过在黄骅港一期堆料机的成功应用，证明该系统运行稳定可靠、检测精确灵敏、控制鲁棒性较高，可真正实现无人职守的堆料控制，对提高作业效率，减少操作人员具有重大意义。

（作者单位：神华黄骅港务有限责任公司）

（转载自《中国港口》杂志2012年第6期）